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Optische Messtechnik für umströmte Tropfen in einer neuen elektrodynamischen Falle

Heinisch, Christian :
Optische Messtechnik für umströmte Tropfen in einer neuen elektrodynamischen Falle.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Optische Messtechnik für umströmte Tropfen in einer neuen elektrodynamischen Falle
Language: German
Abstract:

Umströmte Tropfen in Form von Sprays und Aerosolen spielen eine wichtige Rolle in unserer Umwelt und in technischen Prozessen, zum Beispiel in unserer Atmosphäre, in Verbrennungsmotoren, in Sprühtrocknern oder bei der Anwendung von Pflanzenschutzmitteln. In diesen Bereichen sind zum einen detaillierte Kenntnisse über das Verhalten einzelner Tropfen von entscheidendem Vorteil, um Modelle zu verfeinern. Zum anderen sind optische Messtechniken für Tropfen in Sprays zur Diagnose unabdingbar. Zu beiden Punkten liefert die vorliegende Arbeit wichtige Beiträge. In Kapitel 2 wird eine neue Elektrodengeometrie vorgestellt, die aus vier röhrenförmigen Elektroden besteht. Sie bietet einen optischen Zugang von 360 Grad in der horizontalen Ebene und 36 Grad senkrecht dazu. Das erlaubt, verschiedene optische Messtechniken flexibel zu kombinieren und Lichtstreuung in einem großen Winkelbereich zu beobachten. Im Vergleich zu Ringelektroden bietet die neue Falle unter vergleichbaren Bedingungen höhere Tropfenstabilität, im Vergleich zu anderen bisher bekannten Geometrien bietet sie einen größeren optischen Zugang. In Kapitel 3 wird beschrieben, wie verschiedene bekannte optische Messtechniken mit der neuen Falle kombiniert werden. Dabei werden Tropfengrößen, Brechungsindizes, Konzentrationen und Dichten, Reibungskräfte und Gasgeschwindigkeiten bestimmt. Da die Messungen berührungslos sind, bleiben Wärme- und Stofftransport ungestört von Wandkontakten. Die darauf folgenden Kapitel stellen neue optische Messtechniken und neue Anwendungen mit der elektrodynamischen Falle vor: Kapitel 4 zeigt, wie erstmalig experimentell das Verschwinden von Strukturresonanzen in Wassertropfen von etwa 50 Mikrometer Durchmesser bei der Beleuchtung mit Femtosekunden-Pulsen nachgewiesen wird. Dies dient der Entwicklung einer neuen intensitätsbasierten Messtechnik für Sprays. Kapitel 5 zeigt, wie einzelne Wassertropfen von 50 Mikrometer Durchmesser mit einem kugelförmigen Lufteinschluss zum ersten Mal gefangen werden. Die winkelabhängige Aufnahme des Streulichts liefert experimentelle Daten zur Überprüfung einer bestehenden Theorie. Der große optische Zugang der Falle erlaubt es, das Streulicht in einem Bereich von über 120 Grad aufzunehmen. Außerdem wird das zeitabhängige Streulicht verwendet, um den Durchmesser des Tropfens und des Einschlusses sowie die Position des Einschlusses mit einer Messunsicherheit von +/- 1,5 Mikrometer zu bestimmen. Beobachtete Glanzpunkte stimmen gut mit Vorhersagen überein. In Kapitel 6 wird die Messung des Stofftransports (Sherwood-Zahl) von kugelförmigen Tropfen bei Reynolds-Zahlen um 1 und bei einer Schmidt-Zahl von 0,64 vorgestellt. Gegenüber bisherigen Arbeiten zeichnen sich die eigenen Messungen durch eine geringere Messunsicherheit und durch die hohe Zahl von 700 untersuchten Tropfen aus. Diese Ergebnisse tragen zur Weiterentwicklung von Modellen in den genannten Anwendungen bei. Kapitel 7 zeigt, wie diese Messung mit einer Temperaturmessung kombiniert wird, die auf spontaner Raman-Streuung beruht. Unter den Untersuchungen zum Einfluss einer Strömung auf die Verdampfung von Einzeltropfen ist sie die erste, bei der Tropfentemperaturen berührungslos gemessen werden. Im Rahmen der Messunsicherheit von +/- 4 K werden damit die Temperaturberechnungen des vorhergehenden Kapitels überprüft. Diese Experimente zeigen, dass mit der neuen elektrodynamischen Falle ein leistungsfähiges Instrument für die Untersuchung einzelner Tropfen bereit steht. Die Ergebnisse dieser Arbeit können einen wichtigen Beitrag zu Innovationen für Industrie, Landwirtschaft und Umwelt leisten.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Droplets in sprays and aerosols play an important role in the environment and industry, for example in our atmosphere, in combustion engines, in spray dryers and in pesticide management. In all of these areas, a detailed knowledge of the properties of single droplets is essential to improve our understanding and modelling of them. On the other hand, optical measurement techniques are necessary for diagnostics in sprays and bulk aerosol. To both aspects this dissertation contributes important new results. In chapter 2 a new geometry of electrodynamic trap is shown, consisting of four electrodes in the form of tubes. This trap provides a large optical access of 360 degrees in the horizontal plane and 36 degrees in the vertical plane allowing a flexible combination of optical measurement techniques and the observation of light scattering over a large angular range. The new trap yields greater optical access than other existing geometries with the exception of ring electrodes. In comparison to the latter, under similar conditions, the new electrodes yield improved stability, which is necessary to enable trapping of droplets in a gas stream. A variety of optical measurement techniques successfully combined with the new trap are presented in chapter 3. Thereby the size, refractive index, concentration and the density of droplets, and also drag forces and gas speeds are determined. Through contact free measurements any disturbance of heat and mass transfer and droplet shape by wall contacts are avoided. The following chapters present new optical measurement techniques and new applications in the electrodynamic trap: For the first time, the disappearance of morphology dependent resonances in water droplets of 50 micrometers diameter under the illumination of femtosecond laser pulses is shown experimentally in chapter 4. This contributes to the development of a new intensity based measurement technique for sprays. Chapter 5 shows how single water droplets of 50 micrometers diameter with a spherical air inclusion are trapped for the first time. Their angular dependent light scattering is recorded for the first time to provide experimental data for the verification of existing theory. The large optical access of the new trap allowed scattered light to be collected over a range of more than 120 degrees. Moreover, the time dependent light scattering is used to successfully determine the diameter of the droplet and the inclusion as well as the position of the inclusion with a precision of +/- 1.5 micrometers. Observed glare points have been found to be in good agreement with predictions. In chapter 6 the measurement of mass transfer (Sherwood number) of spherical droplets for Reynolds numbers near one and Schmidt number 0.64 is presented. The current results build on previous works thanks to improved precision of the Sherwood number and the large number of 700 investigated droplets. These results will help to develop models in the aforementioned applications. Chapter 7 shows how the same measurement is combined with temperature measurements on single water droplets using spontaneous Raman scattering. Among investigations into the influence of a gas stream on the evaporation of single droplets this work is the first with a contact free temperature measurement. Within the measurement uncertainty of the temperature of +/- 4K, the results justify temperature calculations used in the previous chapter. These experiments show the new electrodynamic trap to be a powerful tool for the investigation of single droplets. This can lead to further important innovations for industry, agriculture and environment.English
Uncontrolled Keywords: elektrodynamische Falle, Paulfalle, Einzeltropfen, Lichtstreuung, optische Messtechnik, Tropfenverdampfung, Gasströmung, Sherwood-Zahl, Nusselt-Zahl, Stofftransport, Wärmetransport, Femtosekundenpulse, Strukturresonanzen, inhomogene Tropfen, Glanzpunkte, berührungslose Temperaturmessung, Raman-Streuung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
elektrodynamische Falle, Paulfalle, Einzeltropfen, Lichtstreuung, optische Messtechnik, Tropfenverdampfung, Gasströmung, Sherwood-Zahl, Nusselt-Zahl, Stofftransport, Wärmetransport, Femtosekundenpulse, Strukturresonanzen, inhomogene Tropfen, Glanzpunkte, berührungslose Temperaturmessung, Raman-StreuungGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 01 Dec 2008 10:47
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-11997
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Tschudi, Prof. Dr. Theo and Ellermeier, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 10 November 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1199
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